郭鷗， 張紅日， 藍(lán)天助*， 李曉明

(1.防城港交通運(yùn)輸局， 廣西 防城港 538000； 2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司， 廣西 南寧 530000)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。近幾年，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，中國(guó)鋼產(chǎn)量逐年增加，而在冶煉鋼鐵過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的鋼渣，其數(shù)量為鋼鐵產(chǎn)量的12%～20%[1]，對(duì)鋼渣的處理，目前大部分采用露天堆放，造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[2]，所以，尋找合理的鋼渣固體廢棄物利用方法成為當(dāng)今的熱點(diǎn)議題之一。

近年來(lái)，中國(guó)道路工程飛速發(fā)展，對(duì)道路材料的需求越來(lái)越大，如果將鋼渣應(yīng)用于道路工程建設(shè)，不僅可以提高鋼鐵廢渣的利用率，同時(shí)還能節(jié)省道路建設(shè)的材料費(fèi)，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外在這方面已做了不少研究工作，但目前的研究多數(shù)是關(guān)于純鋼渣回填及鋼渣替代碎石制作鋼渣混凝土等方面的利用[3]，對(duì)鋼渣摻土方面的研究較少，若將鋼渣黏土應(yīng)用于道路建設(shè)中，也將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

CBR值是評(píng)估公路路基填料的潛在強(qiáng)度的重要指標(biāo)[4-5]，該文以鋼渣的摻入比例、鋼渣陳化時(shí)間及鋼渣粒徑范圍為影響因子，研究鋼渣黏土各影響因子在不同水平下的擊實(shí)特性及CBR值變化規(guī)律，探討浸水對(duì)鋼渣黏土CBR值的影響，為鋼渣黏土在道路工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 鋼渣

試驗(yàn)鋼渣采用存放了3、9和15個(gè)月的轉(zhuǎn)爐鋼渣，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 陳化3、9、15個(gè)月鋼渣主要化學(xué)成分

該鋼渣f-CaO含量分別為2.86%、1.79%、1.25%，CJJ 35—1990《鋼渣石灰類(lèi)道路基層施工及驗(yàn)收規(guī)范》[6]要求回填用鋼渣的f-CaO含量不應(yīng)大于3%，試驗(yàn)所用鋼渣的f-CaO含量滿(mǎn)足規(guī)范要求。

不同陳化時(shí)間的轉(zhuǎn)爐鋼渣，其物理力學(xué)特性略有差異，表2為0～9.5 mm粒徑不同陳化時(shí)間鋼渣的基本物理力學(xué)指標(biāo)，鋼渣具有堅(jiān)固性良好，密度較大、易吸水等特點(diǎn)。

表2 鋼渣的物理指標(biāo)

為了考察不同級(jí)配對(duì)鋼渣黏土擊實(shí)及CBR特性的影響，試驗(yàn)選用鋼渣的粒徑范圍為0～2.36、0～4.5、0～9.5 mm，其級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。從鋼渣材料的顆粒組成來(lái)看，該鋼渣屬于粗類(lèi)土。

圖1 試驗(yàn)用鋼渣顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

1.1.2 黏土

土樣取自防城港某一級(jí)公路的施工現(xiàn)場(chǎng)，取樣深度為0.2～0.6 m，其基本物理指標(biāo)為：土粒相對(duì)密度為2.67，液限37.9%，塑限18.3%，塑性指數(shù)17.7。根據(jù)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)JTG E40—2007[7]，該土體可以歸為低液限黏土，土體以細(xì)粒為主，其級(jí)配組成見(jiàn)表3。

表3 土的顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究鋼渣黏土的承載比特性影響因素，結(jié)合鋼渣和黏土的特點(diǎn)，選取鋼渣摻入比例、陳化時(shí)間、鋼渣最大粒徑作為因子，各影響因素對(duì)應(yīng)的水平數(shù)為3，鋼渣摻入比例(因素A)水平數(shù)為30%、50%、70%，鋼渣陳化時(shí)間(因素B)水平數(shù)為3、9、15個(gè)月，鋼渣粒徑(因素C)水平數(shù)為0～2.36、0～4.75、0～9.5 mm，常規(guī)試驗(yàn)需要進(jìn)行33=27組試驗(yàn)，為了減少試驗(yàn)數(shù)量，可采取正交試驗(yàn)[8]。根據(jù)各因素及水平數(shù)的特點(diǎn)，選用4因素3水平的正交表L9(34)，試驗(yàn)因素與水平如表4所示。

表4 鋼渣黏土正交試驗(yàn)因素水平

1.2.2 具體試驗(yàn)過(guò)程

(1) 擊實(shí)試驗(yàn)

取足量的黏土和鋼渣集料，在105 ℃下烘干，烘干后，根據(jù)鋼渣摻量及粒徑要求過(guò)篩，黏土過(guò)2 mm篩。在擊實(shí)試驗(yàn)開(kāi)始前，先預(yù)估各配比試樣最佳含水量，根據(jù)鋼渣及黏土的特性，估算得鋼渣黏土的最佳含水量為7%～17%。鋼渣黏土試樣的含水量設(shè)置為7%、9%、11%、13%、15%、17%，依照相應(yīng)含水量摻水?dāng)嚢?。按?guī)范要求進(jìn)行悶料后，選用重型擊實(shí)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得9種配合比的摻鋼渣穩(wěn)定土的最大干密度與最優(yōu)含水率。

(2) CBR試驗(yàn)

取足量的鋼渣和黏土，按各自最佳含水率進(jìn)行配料，拌和均勻以后進(jìn)行悶料12 h，采用重型擊實(shí)儀，按3層擊實(shí)法，每層96次進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)完成后，不浸水條件下的CBR試驗(yàn)則將試樣置于強(qiáng)度儀升降臺(tái)面，進(jìn)行貫入度試驗(yàn)，開(kāi)始時(shí)施加45 N預(yù)加載后，讀取測(cè)力計(jì)和測(cè)量貫入深度的百分表的初始讀數(shù)。然后以1～1.25 mm/min的速率貫入試樣，同時(shí)記錄測(cè)力計(jì)讀數(shù)和相應(yīng)的貫入深度讀數(shù)，當(dāng)貫入量達(dá)到5 mm試驗(yàn)結(jié)束。浸水條件下的CBR試驗(yàn)則需要將擊實(shí)后的試件置于加4塊荷載板的多孔板上，再將其放置在水槽中浸泡96 h后按上述步驟進(jìn)行貫入度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

鋼渣黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可得：① 忽略其他影響因素，單從鋼渣摻入比例來(lái)看，轉(zhuǎn)爐鋼渣摻入量從30%增大到70%時(shí)，其最大干密度增加了0.203 g/cm3，隨著鋼渣摻入量比例的增加，摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土的最大干密度增大；② 考慮鋼渣粒徑范圍對(duì)鋼渣黏土最大干密度影響時(shí)，鋼渣最大粒徑由2.36 cm增加到9.5 cm，其擊實(shí)后的最大干密度增加了0.132 g/cm3，干密度隨鋼渣粒徑的增大而增大；③ 鋼渣陳化齡期對(duì)鋼渣黏土的最大干密度影響較小，不同陳化時(shí)間的鋼渣摻入黏土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，其最大干密度波動(dòng)值為0.012 g/cm3，相對(duì)鋼渣摻入比例和鋼渣粒徑范圍對(duì)鋼渣黏土擊實(shí)后的最大干密度影響較小。所以對(duì)于摻入了陳化轉(zhuǎn)爐渣的鋼渣黏土的最大干密度，其影響程度為：鋼渣相對(duì)摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化齡期。

表5 鋼渣黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：影響摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土擊實(shí)特性的參數(shù)主要為鋼渣摻量和鋼渣粒徑范圍，鋼渣陳化齡期對(duì)擊實(shí)結(jié)果影響較小。

2.2 CBR正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 極差分析

9種配比的鋼渣黏土浸水與不浸水條件下的CBR值見(jiàn)表6，不浸水條件下CBR值為37.2%～107%，浸水條件下CBR值為18%～93%，不同配比條件下的CBR值波動(dòng)較大。當(dāng)試驗(yàn)所用鋼渣粒徑范圍為0～9.5 cm，陳化時(shí)間為3個(gè)月，鋼渣相對(duì)摻入量為70%時(shí)，其未浸水和浸水條件下的CBR值達(dá)到最大值，分別為107%、93%。當(dāng)試驗(yàn)所用的鋼渣粒徑范圍為0～2.36 mm，陳化時(shí)間為3個(gè)月，鋼渣相對(duì)摻入量為30%時(shí)，其未浸水和浸水條件下的CBR值達(dá)到最小值，分別為37.2%、18%。

表6 鋼渣黏土CBR值正交試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)極差分析，可以獲得影響鋼渣黏土CBR值的主次關(guān)系，極差值越大，該因素對(duì)鋼渣黏土CBR值的影響就大，反之亦然。3個(gè)因素中對(duì)摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土浸水與未浸水條件下的CBR值的影響排序?yàn)椋轰撛鄬?duì)摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時(shí)間。

2.2.2 方差分析

正交試驗(yàn)中引起鋼渣黏土CBR值波動(dòng)的因素有鋼渣相對(duì)摻入量的不同水平、鋼渣陳化時(shí)間的不同水平、鋼渣粒徑的不同水平及隨機(jī)誤差。為了定量分析各因子對(duì)鋼渣黏土CBR值的影響，用F統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)各因子的顯著性。方差計(jì)算結(jié)果如表7所示。設(shè)顯著性水平α=0.1，0.05，0.01，查表得[9]：F0.01(2，2)=98.5，F(xiàn)0.05(2，2)=19.0，F(xiàn)0.1(2，2)=9.0，由表7計(jì)算結(jié)果可知：陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣相對(duì)摻入量對(duì)鋼渣黏土浸水與不浸水的CBR值的影響在顯著性水平0.01上是顯著的，陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣的粒徑對(duì)鋼渣黏土浸水與不浸水的CBR值的影響在顯著性水平0.1上是顯著的，轉(zhuǎn)爐鋼渣的陳化時(shí)間對(duì)鋼渣黏土的CBR值的影響不顯著。

表7 鋼渣黏土CBR值方差分析結(jié)果

2.3 浸水對(duì)鋼渣黏土CBR值影響分析

為了預(yù)測(cè)鋼渣黏土路基填料在最?lèi)毫忧闆r下的CBR值及水穩(wěn)定性，根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，室內(nèi)CBR試驗(yàn)在其試件成型后的浸水時(shí)間為96 h，使試件接近飽和，再進(jìn)行貫入度試驗(yàn)。CBR試驗(yàn)的試件在浸水96 h后，其飽和度可達(dá)75%～95%[10]。為了表征鋼渣黏土浸水前后CBR值的變化，現(xiàn)定義無(wú)量綱的量K如下：

K=浸水后CBR值/未浸水CBR值

(1)

2.3.1 極差分析

通過(guò)極差分析，可以獲得影響摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土K值的主次關(guān)系如表8所示。3個(gè)因子中對(duì)摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土K值的影響排序?yàn)椋轰撛鄬?duì)摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時(shí)間。

表8 K值正交極差分析結(jié)果

2.3.2 各因素對(duì)K值的影響分析

由表8可知：

(1) 隨著鋼渣摻入比例的增加，K值逐漸增大，且鋼渣摻入比例為30%～50%的K變化幅度比摻入比例為50%～70%區(qū)間大，說(shuō)明隨著陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣摻入比例的增加，浸水條件對(duì)鋼渣黏土的CBR值影響減小，鋼渣黏土的水穩(wěn)定性越好。

(2) 鋼渣陳化齡期和鋼渣最大粒徑對(duì)摻陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣黏土的K值影響較小。

3 結(jié)論

綜合鋼渣、黏土的特性，以鋼渣相對(duì)摻入量、鋼渣陳化時(shí)間、鋼渣粒徑范圍為影響因子， 以L(fǎng)9(34)為正交表設(shè)計(jì)9組鋼渣黏土配合比，對(duì)鋼渣黏土進(jìn)行CBR試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 擊實(shí)試驗(yàn)研究顯示，轉(zhuǎn)爐鋼渣相對(duì)摻入量、鋼渣陳化時(shí)間、鋼渣粒徑范圍都會(huì)影響鋼渣黏土的最大干密度，各因子對(duì)擊實(shí)特性的影響排序?yàn)椋轰撛鄬?duì)摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時(shí)間。

(2) 極差分析顯示：轉(zhuǎn)爐鋼渣相對(duì)摻入量、鋼渣陳化時(shí)間、鋼渣粒徑范圍對(duì)鋼渣黏土浸水與未浸水條件下的CBR值的影響排序?yàn)椋轰撛鄬?duì)摻入量>鋼渣粒徑>鋼渣陳化時(shí)間。方差分析顯示，轉(zhuǎn)爐鋼渣相對(duì)摻入量和鋼渣粒徑對(duì)鋼渣黏土浸水與不浸水的CBR值的影響具有顯著性，轉(zhuǎn)爐鋼渣的陳化時(shí)間對(duì)鋼渣黏土的CBR值的影響不顯著。

(3) 通過(guò)對(duì)浸水因素對(duì)鋼渣黏土CBR值影響分析，陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣相對(duì)摻入比例對(duì)鋼渣黏土浸水前后CBR值的比值影響較大，而鋼渣陳化齡期和鋼渣最大粒徑對(duì)其影響較小，且研究顯示，隨著陳化轉(zhuǎn)爐鋼渣摻入比例的增加，浸水條件對(duì)鋼渣黏土的CBR值影響越小，鋼渣黏土的水穩(wěn)定性越好。